Rust VMM + C guest

这个示例直接打开 /dev/kvm，由 Rust 创建一台只有一个 vCPU、2 MiB RAM 的虚拟机，执行用 C 编写的裸机程序。适合修改 guest 指令、观察 KVM exit，或者继续添加自己的 KVM 实验。

构建与运行

需要 Linux x86_64、可读写的 /dev/kvm、Rust 1.85 或更新版本、GCC、GNU binutils 和 Make。首次 Cargo 构建需要下载依赖。默认 guest 不依赖 libc、操作系统、BIOS 或 QEMU。

在本目录执行：

make run

guest 输出到 stdout，VMM 状态和错误输出到 stderr。预期结果：

Hello from C guest!
BSS zeroed; result = 42
mini-kvm: guest halted, guest_main returned 0

也可以分别构建、运行，或指定其他按相同布局链接的平坦镜像：

make
./mini-kvm.out guest.out
make check
make clean

make check 执行 Rust 格式检查、Clippy 和带 10 秒超时的真实 KVM 运行；需要 timeout 命令。make run 本身不限制 guest 的运行时间，循环实验可用 Ctrl-C 结束。

产物包括：

文件	用途
mini-kvm.out	Rust VMM
guest.elf.out	保留符号和调试信息的 ELF，用于反汇编
guest.out	从 ELF 导出的平坦镜像，作为 VMM 输入

Cargo 内部产物保留在已忽略的 target/，对外产物使用 .out 后缀，C 中间文件使用 .o 后缀。可用 make CC=/usr/bin/gcc OBJCOPY=/usr/bin/objcopy 指定工具。

从哪里改代码

• guest/main.c 中的 guest_main() 是 C 实验入口，返回 0 表示成功。guest_putc()、guest_puts() 和 guest_put_u64() 提供基本输出。
• guest/start.S 中的 _start 只有调用 C 所需的入口代码：清除方向标志、调用 guest_main()、保留 EAX 返回值并执行 hlt。Rust 预先设置 16 字节对齐的栈，call 之后满足 x86_64 SysV ABI。
• src/main.rs 中的 execute() 创建 VM，run() 处理退出；添加端口或 MMIO 实验时从 run() 扩展。
• src/x86.rs 中的 setup() 配置 CPUID、GDT、页表和寄存器；src/memory.rs 中的 GuestMemory 管理 host 内存映射。
• guest/linker.ld 固定入口和镜像布局，并检查包含 BSS 在内的 guest 不会覆盖预留栈。

例如修改 calculate() 后执行 make run 即可运行新代码。默认 guest_main() 会检查结果是否为 42；改变计算时也要调整预期值。可用以下命令检查实际指令和加载布局：

objdump -dS guest.elf.out
readelf -lW guest.elf.out

KVM 调用流程

1. Kvm::new() 打开 /dev/kvm，检查 KVM_GET_API_VERSION 和 KVM_CAP_USER_MEMORY。
2. mmap 分配清零且页对齐的 host RAM，加载平坦镜像；KVM_CREATE_VM 创建 VM，KVM_SET_USER_MEMORY_REGION 把这段 host 内存注册为 GPA 从 0 开始的 slot 0。
3. KVM_SET_TSS_ADDR 预留 Intel KVM 所需的 TSS 地址范围，KVM_CREATE_VCPU 创建 vCPU。kvm-ioctls 在内部映射 kvm_run。
4. KVM_GET_SUPPORTED_CPUID / KVM_SET_CPUID2 设置 CPU 能力；在 guest RAM 中写入 GDT 和页表，再用 KVM_SET_SREGS、KVM_SET_REGS 直接建立 64 位执行环境。
5. KVM_RUN 执行 guest。outb 到 0xe9 产生 VcpuExit::IoOut，Rust 写入 stdout，然后再次进入 KVM_RUN 完成该 I/O 并继续执行。
6. C 返回后，hlt 产生 VcpuExit::Hlt；VMM 读取 EAX 中的 C 返回值。0 对应 host 退出码 0，任何非零 guest 返回值或 VMM 错误对应 host 退出码 1，并打印原因。

0xe9 是这个示例约定的调试输出端口，不实现 UART。未支持的 I/O、MMIO、shutdown 和其他退出均打印退出信息并失败；KVM_RUN 被信号打断且返回 EINTR 时重试。vCPU、VM、RAM 按此顺序释放，确保 KVM 使用内存期间映射始终有效。

参考：Linux KVM API、kvm-ioctls。

内存与 CPU 状态

GPA	内容
0x1000	PML4
0x2000	PDPT
0x3000	PD，使用一个 2 MiB 大页
0x5000	GDT：空描述符、64 位代码段、数据段
0x10000 起	_start、C 代码、只读数据、已初始化数据和 BSS
[0x1f0000, 0x200000)	64 KiB 栈，向低地址增长

GVA [0, 2 MiB) 恒等映射到 GPA [0, 2 MiB)，整个区域可读、可写、可执行。入口地址和栈边界同时出现在 src/x86.rs 和 guest/linker.ld，修改时必须保持一致。Intel KVM 的 TSS 另使用 GPA [0xfffbd000, 0xfffc0000)，不与 guest RAM 重叠。

VMM 设置 CR0.PE/PG、CR4.PAE、EFER.LME/LMA，CS.L=1，CR3 指向 PML4，RIP 指向 _start。CPU 直接从 long mode 开始，不经过实模式启动过程。RFLAGS.IF=0，不配置 IRQ chip 或异常处理程序。

C guest 的边界

这是 freestanding C 环境：没有 printf、malloc、系统调用和动态链接。编译禁用 PIE/PIC、栈保护、red zone、浮点/SIMD；增加代码时若编译器生成 memcpy 等运行库调用，需要自行提供实现。固定的 64 KiB 栈没有保护页。

匿名 RAM 初始为零，因此未包含在平坦镜像中的 BSS 也为零。加载器拒绝空镜像、超大镜像和 ELF 文件；平坦镜像没有入口、BSS 或栈元数据，只保证配套链接脚本产生的布局。其他镜像也必须遵守这个约定。

不安装 IDT 或异常处理程序，非法指令、缺页等 guest 异常可能最终表现为 triple fault / Shutdown。第一版不提供 Linux 启动、多 vCPU、磁盘、网络和中断设备；后续实验可从当前创建流程和 exit 循环直接扩展。

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